科學(xué)家提出量子測(cè)量引擎概念,效率可以達(dá)到99.8%

要測(cè)量一個(gè)原子，不可能不擾動(dòng)它，至少根據(jù)量子力學(xué)是這樣的。但兩名物理學(xué)家報(bào)告稱，這一效應(yīng)似乎有點(diǎn)麻煩，但它可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)微型引擎以近乎100%的效率運(yùn)行——遠(yuǎn)高于汽車引擎的效率。目前，這一“測(cè)量引擎”仍是純假設(shè)，但物理學(xué)家稱或許未來(lái)真能造出一款這樣的引擎。

“這是個(gè)非常好的想法?！狈▏?guó)蒙特邦?yuàn)W圣馬爾坦市投資量子計(jì)算的人工智能公司ProbaYes的物理學(xué)家David Herrera Martí說(shuō)，“你可以想象有一群小分子機(jī)器被一束激光高效地驅(qū)動(dòng)著?！?/p>

引擎是反復(fù)循環(huán)一系列動(dòng)作從而把能量轉(zhuǎn)化為有用功的一種機(jī)器。為了保持發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，引擎必須不斷地恢復(fù)到初始狀態(tài)，在此過(guò)程中，它需要失去一些熱量。在熱力學(xué)第二定律的條件下，不可避免的能量浪費(fèi)嚴(yán)重地限制了熱機(jī)的效率，使其低于氣缸設(shè)定的溫度水平。通常一輛汽車會(huì)只把25%的汽油能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)力。

把球推上山坡需要能量。量子引擎或能通過(guò)反復(fù)測(cè)量實(shí)現(xiàn)同樣的工作。

然而，美國(guó)紐約市羅切斯特大學(xué)的Cyril Elouard和Andrew Jordan說(shuō)，在微小量子的領(lǐng)域，引擎可以從另一種來(lái)源獲得能量（即測(cè)量一個(gè)微小粒子的位置所需的能量），并以幾乎完全的效率使用它。他們兩人設(shè)計(jì)了一種方案，例如只要反復(fù)測(cè)量粒子的位置，就可以在引力的作用下抬升粒子。

想象電梯地板上有一個(gè)保齡球。無(wú)論你看它多少次，它的位置都不會(huì)變。但當(dāng)把保齡球縮小到中子大小時(shí)，量子力學(xué)顯著地改變了這幅圖景。因?yàn)橹凶邮侨绱酥?，其位置已無(wú)法被準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。相反，它需要用散射的量子波才能被發(fā)現(xiàn)，從而給出在不同地方找到該中子的概率。量子波有些類似懸浮在移動(dòng)平臺(tái)上的一團(tuán)云，在平臺(tái)附近密度很大，而在更高的地方則更稀薄，而中子很可能在平臺(tái)附近。但直到測(cè)量發(fā)生，中子的位置才能被知曉。

利用量子測(cè)量“非此即彼”的性質(zhì)，Elouard和Jordan想知道，測(cè)量的中子是在移動(dòng)平臺(tái)上方的一定距離內(nèi)，還是在更遠(yuǎn)的地方。如果中子在靠近平臺(tái)的區(qū)域內(nèi)，它們實(shí)際上會(huì)離開(kāi)平臺(tái)；如果中子在靠近平臺(tái)的區(qū)域之外，它們會(huì)以同樣的設(shè)定距離向平臺(tái)上方移動(dòng)，在重力把中子拉回來(lái)之前捕獲中子。研究人員近日在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表的一項(xiàng)報(bào)告中指出，重復(fù)這個(gè)過(guò)程會(huì)逐漸抵抗引力束縛，使中子提升。有趣的是，該平臺(tái)本身不會(huì)產(chǎn)生提升中子的作用力。相反，提升中子的能量來(lái)自于測(cè)量本身。

據(jù)計(jì)算，該“測(cè)量引擎”的效率可以達(dá)到99.8%。Jordan說(shuō)，建立這樣一個(gè)引擎是有可能的?！澳悴粫?huì)用它來(lái)運(yùn)行火車頭?！彼f(shuō)，“但你可以運(yùn)行一個(gè)原子或一個(gè)分子?！辈贿^(guò)，這樣的機(jī)器有什么潛在益處有待觀察。

當(dāng)然，有得必有失。使用準(zhǔn)確度較低的測(cè)量方法需要更多周期提升中子。因此，量子測(cè)量引擎雖然效率很高，但其工作速度卻很慢。Herrera Martí 指出，最終該發(fā)動(dòng)機(jī)也不可能逃脫熱力學(xué)第二定律。他說(shuō)，盡管研究人員沒(méi)有具體說(shuō)明其測(cè)量設(shè)備，但它一定是一臺(tái)需要浪費(fèi)能源的大機(jī)器。

盡管如此，測(cè)量引擎還是在量子力學(xué)的工具箱中加入了一個(gè)新工具。

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